JP2003502268A - 亜テルル酸塩ガラスおよび光学成分 - Google Patents

亜テルル酸塩ガラスおよび光学成分

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JP2003502268A JP2001504859A JP2001504859A JP2003502268A JP 2003502268 A JP2003502268 A JP 2003502268A JP 2001504859 A JP2001504859 A JP 2001504859A JP 2001504859 A JP2001504859 A JP 2001504859A JP 2003502268 A JP2003502268 A JP 2003502268A
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Abstract

(57)【要約】 モルパーセントで計算して、10-90%のTeO2、少なくとも5%のWO3および少なくとも0.5%のR2Oから実質的になり、ここで、RはLi、Na、K、Cs、Tlおよびそれらの混合物であり、ドーパントとしてランタニド酸化物、特に酸化エルビウムを含有してもよく、そのようにドーピングされた場合、比較的広いFWHM値を有する蛍光発光スペクトルにより特徴付けられる、アルカリ−タングステン−亜テルル酸塩ガラスの一群。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】発明の分野 アルカリ−タングステン−亜テルル酸塩(tellurite)ガラスおよび通信システ
ム成分におけるそれらの使用。
【0002】発明の背景 光学成分、特に、希土類金属イオンがドープされた光ファイバを用いた成分が
、通信システムにおいて広く用いられている。主な用途は、信号を増幅するため
に蛍光イオン発光を用いる信号増幅器におけるものである。イオン発光は、信号
と同じ動作波長内で生じる。ポンプエネルギーが希土類金属イオンを励起して、
蛍光を発生させ、それによって、光学利得が提供される。
【0003】 希土類金属イオンがドープされ、適切なエネルギーによりポンプされるガラス
は、特徴的な蛍光強度ピークを示す。帯域幅に関する要望が増えている通信シス
テムの発展により、関心のある波長領域に最も広い潜在的発光スペクトルを有す
る、希土類ドープ増幅器材料の必要性が生じた。この必要性を満たすことが、本
発明の目的である。
【0004】 蛍光強度曲線の帯域幅は、任意に、ナノメートルの波長におけるその曲線の全
幅半値(FWHM)としてとらえられる。この値は、最大強度の半分、すなわち
、曲線のピークの垂直高さの半分での曲線の横幅である。残念ながら、適当な領
域で蛍光を示す多くのガラスは、かなり狭い帯域幅を示す。比較的広い帯域幅を
示す一群のガラスを提供することが本発明のさらなる目的である。
【0005】 エルビウムをドープしたガラスが、1520-1560nm領域で発光させることがで
きる。これにより、この波長範囲で動作する信号を増幅することができる。光通
信における1550nm波長の重要性のために、ガラスにおける希土類金属ドーパン
トとしてのエルビウムの挙動に関する研究が多く行われるようになった。またこ
れにより、エルビウムイオンのホストとしての様々なガラスの研究にも至った。
【0006】 低フォノンエネルギーの亜テルル酸塩ガラスにより、あるポンプエネルギーで
の発光寿命を長くできる。具体例として、亜テルル酸塩ガラス中のエルビウムは
、ケイ酸塩と比較して、長いtau-32(980発光)寿命を示す。そのポンプ波長で
の長い発光寿命は、励起状態の吸収のために、増幅器またはレーザの効率を減少
させることがある。実際的な980ポンピングスキームは、980nmと1530nmの間
のエネルギー差で共鳴するフォノン上音を有する成分でガラスを共ドーピングす
ることにより得られる。
【0007】 ある用途には、長い、エルビウムのtau-32発光寿命が望ましい。これらの用途
には、基底状態の吸収への直接ポンピングが雑音面形状に影響を与えない、長帯
域(long-band)増幅器が含まれ、また、利得スペクトルの形状に影響を与えずに
、利得を劇的に調節するために、980および1480のポンプレーザが組み合わされ
ているチルトフリー(tilt free)増幅器が含まれる。
【0008】 適度に低い最大フォノンエネルギーを有するガラスは、タリウムをドープする
と、1450nmの近傍で蛍光を示せることも知られている。この波長は、現在用い
られている通信帯域の外側にあるが、ほとんどの市販の光ファイバの透明ウィン
ドウ内にある。かつてなく増えている有用な帯域幅に関する要望により、エルビ
ウムにより包含されていないこのウィンドウの残りの部分に亘り動作する追加の
増幅器デバイスが必要とされるであろう。
【0009】 例えば、エルビウムのような希土類金属イオンの濃度が増加するにつれ、光学
利得がある点まで上昇することが知られている。この点を超えると、蛍光信号が
消滅し、光学利得が減少する。この現象は、クラスター形成(clustering)と通常
称される様式で互いに相互作用するドーパントの希土類金属イオンに起因すると
考えられている。本発明の別の目的は、エルビウムイオンを容易に溶解でき、ク
ラスター形成が阻害されることを示す広い帯域幅を示す一群のガラスを提供する
ことにある。
【0010】 エルビウムイオンがドープされたある亜テルル酸塩ガラスが、スペクトルの15
40nm領域で非常に広いエルビウム発光帯域を提供することが報告されている。
ガラス組成物は報告されなかったが、他の研究では、ガラスがアルカリ−アルカ
リ土類−亜鉛−亜テルル酸塩ガラスであることが示されている。
【0011】 ほとんどの亜テルル酸塩ガラスの群は、ガラスを形成できるようにするために
ガラス中に少なくとも約50%のTeO2が存在することを必要とする。広い範囲
のガラス形成酸化物TeO2が、網状構造形成TeOx種の様々な構造モチーフを
提供するはずであると考えられてきた。そのような種としては、高TeO2含有
量での重合した両錐体TeO4群および低TeO2含有量での分離した錐体TeO 3 群がある。種の多様性により、エルビウムイオンのようなドーパントイオンを
含むための構造的部位の多様性が大きくなるはずである。これにより、イオンが
クラスターを形成し、蛍光発光およびその結果としての増幅が効果的ではなくな
ってしまうことが避けられる。また、ドーパント部位の多様性により、発光スペ
クトルが広くなるはずである。
【0012】 そこで、本発明の基本的な目的は、広い組成領域に亘り溶解でき、エルビウム
のような希土類金属の化合物が容易に可溶性である、亜テルル酸塩ガラスの一群
を提供することにある。
【0013】発明の概要 本発明は、モルパーセントで計算して、10-90%のTeO2、少なくとも5%の
WO3および少なくとも0.5%のR2Oから実質的になり、ここで、RはLi、N
a、K、Cs、Tlおよびそれらの混合物であるアルカリ−タングステン−亜テ
ルル酸塩ガラスの一群にある。
【0014】 本発明はさらに、高熱安定性(Tx−Tg)を有し、希土類金属酸化物を容易に
溶解し、モルパーセントで計算して、15-85%のTeO2、5-55%のWO3、0.5-4
0%のR2Oおよび0.005-10%のランタニド族の酸化物から実質的になり、ここで
、RはLi、Na、K、Rb、Cs、Tlおよびそれらの混合物である組成を有
するアルカリ−タングステン−亜テルル酸塩ガラスから構成される、通信システ
ム用光学成分にある。
【0015】発明の説明 前述したように、既知の亜テルル酸塩ガラスの一群は一般にその組成中に少な
くとも50モルパーセントのTeO2を必要とすることが示されてきた。本発明は
、より広い組成領域を有するアルカリ−タングステン−亜テルル酸塩ガラスの一
群の発見に基づくものである。さらに、この群のガラスは、ドーパントとしての
希土類金属を容易に溶解できる。特に、これらのガラスにエルビウム化合物をド
ープした場合、それらのガラスは、広い発光特性を示す、すなわち、比較的大き
いFWHMを示す。このことは、商業的に重要な1.54μm帯域にとって特に重大
である。さらに、それらのガラスは、光学材料、特にファイバを製造する上でそ
れらの能力を向上させる他の特性を提供する。
【0016】 このアルカリ−タングステン−亜テルル酸塩ガラスは、それらのTeO2含有
量が10-90モルパーセントに広く及んでもよいという点で独特である。この広い
範囲の潜在的なTeO2含有量は、網状構造形成TeO2種の付随する様々な構造
モチーフの可能性を与える。前述したように、これらには、ガラスが高TeO2
含有量を有する場合の重合した両錐体TeO4群が含まれる。TeO2含有量が低
いと、分離した錐体TeO3群が可能となる。この様々な構造モチーフにより、
エルビウムイオン(Er+3)のようなドーパントイオンを含むための構造部位の
多様性が大きくなる。この結果、効果的なエルビウムイオンの溶解性が向上し、
エルビウム発光スペクトルが広くなる。
【0017】 表Iは、本発明による代表的なアルカリ−タングステン−亜テルル酸塩ガラス
の組成をモルパーセントで列記している。また、これらの組成を有するガラスに
ついてのナノメートルで表したFWHM値および熱安定性指数値も示されている
。比較目的のために、タングステンを含まないガラス組成が例5として示されて
いる。
【0018】
【表1】 これらのガラスは、プレーナデバイスのためのバルク形態で用いもよい。しか
しながら、光ファイバの形態で製造されることも考えられる。後者の目的に関し
て、ガラスの熱安定性は重要な検討事項である。したがって、熱安定性指数(T
x−Tg)の値が大きいことが重要である。
【0019】 熱安定性指数は、温度(Tx)とガラス転移温度(Tg)との間の温度間隔であ
る。ここで用いているように、Txは、結晶形成の始まる温度を表す。このガラ
スにおいてはどのような結晶の発生も有害となり得る。
【0020】 ファイバの線引きのためには、少なくとも100℃の指数値が望ましい。そのよ
うな指数値は、これらのガラスの粘度曲線の急勾配の程度の点から、例えば、「
ロッド・イン・チューブ」プレフォームを延伸することにより、実際的な様式で
ガラスを繊維化させるのに十分である。
【0021】 本発明のガラスの特徴を、図1および2を参照してさらに説明する。
【0022】 図1は、タングステン含有亜テルル酸塩ガラスの発光スペクトルを、タングス
テンを含まないアルカリ亜テルル酸塩ガラスの発光スペクトルと比較したグラフ
である。相対的な発光強度が、比較目的のために、任意の単位(a.u.)で縦軸にプ
ロットされている。ナノメートルの波長が横軸にプロットされている。
【0023】 曲線Aは、組成中にタングステンを含まない既知のアルカリ亜テルル酸塩ガラ
スの発光スペクトルを表す。このガラスは、表Iの例5の組成を有する。曲線B
は、本発明の典型的なアルカリ−タングステン−亜テルル酸塩ガラス(例3)の
発光スペクトルを表す。横になった点線は、各々のガラスのFWHM値を示す。
曲線Bのより平坦でより広い特性、およびその結果としてのタングステン含有ガ
ラスのより大きいFWHM値が明らかである。これは、本発明のガラスの典型的
かつ重要な特徴である。
【0024】 これもまたグラフである図2は、典型的なアルカリ−タングステン−亜テルル
酸塩ガラスにおける熱安定性を示す。図2において、℃で表した温度が縦軸にプ
ロットされ、アルカリ−タングステン−亜テルル酸塩ガラス中のモルパーセント
で表したTeO2含有量が横軸にプロットされている。
【0025】 曲線Cは、20-80モルパーセントに及ぶTeO2含有量を有するガラスに関する
℃で表したTx温度を示す。曲線Dは、同じTeO2含有量範囲に亘る同じガラス
に関するガラス転移温度(Tg)を示す。
【0026】 Tg曲線(曲線D)は、約60%のTeO2までゆっくりと上昇し、次いで次第に
、わずかに降下しているのが分かる。Tx曲線(曲線C)もまた、約40%のTe
2含有量まで上昇し、次いで、横ばい状態になっている。
【0027】 重要な特性は、TeO2の任意の所定の含有量での曲線間の垂直距離である。
この垂直差(Tx−Tg)は、約20%のTeO2で約125℃であり、高TeO2含有
量で150℃近くまで上昇する。前述したように、このことは、任意のプレフォー
ム延伸技法によるファイバの線引き中の失透問題を避ける上で非常に重要である
【0028】 一般的に、本発明の基本的なガラス群、すなわち、ドープされていないアルカ
リ−タングステン−亜テルル酸塩ガラスの一群は、モルパーセントで計算して、
10-90%のTeO2、少なくとも5%のWO3および少なくとも0.005%のR2Oから
実質的になり、ここで、RはLi、Na、K、Rb、Csおよび/またはTlで
ある。この広い組成範囲内で、いくぶん狭い範囲が、これらのガラスを、増幅成
分のための、エルビウムのドープされたクラッドファイバの製造に特に有用にす
る特徴を有する。この目的のための基礎ガラス組成は、モルパーセントで計算し
て、15-85%のTeO2、5-55%のWO3、および0.5-40%のR2Oから実質的にな
り、ここで、Rは上述した元素を示す。さらに、この基礎ガラスは、エルビウム
を含むランタニド族の希土類金属の酸化物を0.005-10%含有する。
【0029】 これらの基礎ガラス組成物は、これらの組成を有するガラスの物理的特性を変
更するように改変してもよい。特に、それら組成物は、光ファイバのためのコア
およびクラッドガラスの組合せを提供する目的のために改変してもよい。その目
的のために、前記ガラスは、よく知られているように、屈折率差を示さなければ
ならない。しかしながら、その他の点では、コアおよびクラッドガラスは、でき
るだけ同じ特性を有することが望ましい。
【0030】 その改変酸化物は、0-30%のMOを含んでもよく、ここで、Mは、Mg、Ca
、Sr、Ba、Zn、Cd、Pb、Y、La、Gd、Lu、Ti、Zr、Hf、
Nb、Ta、Bi、H、Bおよび/またはPである。
【0031】 より詳しくは、ガラス組成物は、0-30%のM、0-20%のY23および/または
Sb23、および/または0-15%のTiO2、Nb25および/またはTa25
の添加により改変してもよく、ここで、Mは、Mg、Ca、Sr、Ba、Znお
よび/またはPbである。これらの添加物は、クラッドファイバの製造に適した
コア/クラッド組成物を開発する上で特に有用である。
【0032】 様々な酸化物成分を、全ハロゲン含有量が、組成の全ハロゲン含有量に酸素含
有量を加えたものの約25%までとなるような量で対応する金属ハロゲン化物によ
り一部を置換しても差し支えない。また、R2O対WO3の比は、ファイバ中に減
衰源を導入することもある低い酸化状態にW+6を還元することを避けるために、
1:3より上に、好ましくは、920に保持する。
【0033】 表Iに示したような組成を有する亜テルル酸塩ガラスは、最初に、慣習的な様
式でバッチを混合することにより溶融した。テルル、タングステンおよびランタ
ニドの成分を酸化物として導入した。アルカリ金属酸化物を、硝酸塩または炭酸
塩のいずれかとして導入した。バッチを手作業で混合し、96%のシリカまたは金
の坩堝中に配置した。坩堝を、750℃で運転している電気炉中に導入して、バッ
チを溶融した。溶融時間は約30-60分間であった。そのように製造したガラスを
、ガラスの転移温度(Tg)近くの温度でアニールした。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のガラスおよび対応する従来技術のガラスの発光スペクトルを比較する
グラフ
【図2】 本発明によるガラスの熱安定性を示すグラフ
【図3】 グラフ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01S 3/06 H01S 3/06 B 3/10 3/10 Z 3/17 3/17 (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),AE,AL,A M,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY ,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE, ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,HR,H U,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP ,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU, LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,N Z,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI ,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG, UZ,VN,YU,ZA,ZW Fターム(参考) 2H050 AB18Z 4G062 AA06 BB11 CC10 DA01 DB01 DC01 DC02 DD01 DD02 DE01 DE02 DE03 DE04 DF01 DF02 DF03 DF04 EA01 EA02 EA03 EA04 EA05 EB01 EB02 EB03 EB04 EB05 EC01 EC02 EC03 EC04 EC05 ED01 ED02 ED03 ED04 EE01 EE02 EE03 EE04 EF01 EF02 EF03 EF04 EG01 EG02 EG03 EG04 FA01 FA02 FA03 FA04 FB01 FB02 FB03 FB04 FC01 FD01 FE01 FF01 FG01 FG02 FG03 FG04 FH01 FH02 FH03 FH04 FJ01 FJ02 FJ03 FJ04 FK01 FL01 GA01 GB01 GC01 GD04 GD05 GD06 GD07 GE01 GE02 GE03 GE04 HH01 HH03 HH05 HH06 HH07 HH09 HH11 HH13 HH15 HH17 HH20 JJ01 JJ03 JJ04 JJ05 JJ06 JJ07 JJ08 JJ10 KK01 KK03 KK05 KK06 KK07 KK10 MM40 NN34 NN40 5F072 AB07 AB09 AK06 JJ20 RR01 YY17

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルカリ−タングステン−亜テルル酸塩ガラスであって、そ
    の組成が、モルパーセントで計算して、10-90%のTeO2、少なくとも5%のW
    3および少なくとも0.5%のR2Oから実質的になり、ここで、RがLi、Na
    、K、Rb、Cs、Tlおよびそれらの混合物であることを特徴とするガラス。
  2. 【請求項2】 RがNaおよび/またはKであることを特徴とする請求項1
    記載のガラス。
  3. 【請求項3】 ガラス形成中の失透を避けるために高い熱安定性指数(Tx
    −Tg)を有し、蛍光発生イオンを提供するために希土類金属酸化物を容易に溶
    解し、広い帯域幅を有する発光スペクトルを有し、モルパーセントで計算して、
    15-85%のTeO2、5-55%のWO3、0.5-40%のR2O、および0.005-10%のラン
    タニド族の酸化物から実質的になり、ここで、RがLi、Na、K、Rb、Cs
    、Tlおよびそれらの混合物であることを特徴とする請求項1記載のガラス。
  4. 【請求項4】 前記ランタニド族の酸化物が酸化エルビウムまたは酸化テル
    ルであることを特徴とする請求項3記載のガラス。
  5. 【請求項5】 1つ以上の任意のMOの改質成分を含有し、ここで、Mが、
    Ca、Sr、Ba、Mg、Zn、Cd、Pb、Y、Sb、La、Gd、Lu、T
    i、Zr、Hf、Nb、Ta、Bi、H、BおよびPの内の1つ以上であること
    を特徴とする請求項3記載のガラス。
  6. 【請求項6】 0-30%のMO、0-20%のY23および/またはSb23およ
    び0-15%のTiO2、Nb23および/またはTa25から選択される少なくと
    も1つの任意の改質成分を含有し、ここで、MOがMg、Ca、Sr、Ba、Z
    n、Cdおよび/またはPbの酸化物であることを特徴とする請求項5記載のガ
    ラス。
  7. 【請求項7】 前記金属酸化物の一部が、全ハロゲン化物含有量対該全ハロ
    ゲン化物含有量に前記ガラスの酸素含有量を加えたものの原子比が1:4を超えな
    いという条件で金属ハロゲン化物により置換されることを特徴とする請求項5記
    載のガラス。
  8. 【請求項8】 前記全R2O:WO3の比率が少なくとも約1:3であることを
    特徴とする請求項3記載のガラス。
  9. 【請求項9】 蛍光発生イオンのtau-32寿命を短縮するためにB、H、Pお
    よびそれらの混合物から選択される軽量元素を含有することを特徴とする請求項
    5記載のガラス。
  10. 【請求項10】 高い熱安定性指数(Tx−Tg)を有し、希土類金属酸化物
    を容易に溶解し、広い帯域幅を有する発光スペクトルを有し、モルパーセントで
    計算して、15-85%のTeO2、5-55%のWO3、0.5-40%のR2O、および0.005-
    10%のランタニド族の酸化物から実質的になり、ここで、RがLi、Na、K、
    Rb、Cs、Tlおよびそれらの混合物であるアルカリ−タングステン−亜テル
    ル酸塩ガラスから構成されることを特徴とする通信システム用光学成分。
  11. 【請求項11】 RがNaおよび/またはKであることを特徴とする請求項
    10記載の光学成分。
  12. 【請求項12】 前記ガラスが、少なくとも40のFWHM値を持つ1.5発光
    帯域および少なくとも120℃の熱安定性指数(Tx−Tg)を有することを特徴と
    する請求項1記載の光学成分。
  13. 【請求項13】 前記ガラス中の金属酸化物の一部が金属ハロゲン化物によ
    り置換され、その置換が、全ハロゲン化物含有量対該全ハロゲン化物含有量に前
    記ガラスの酸素含有量を加えたものの原子比が1:4を超えないようなものである
    ことを特徴とする請求項10記載の光学成分。
  14. 【請求項14】 前記全R2O:WO3の比率が少なくとも約1:3であること
    を特徴とする請求項10記載の光学成分。
  15. 【請求項15】 前記成分がクラッド光ファイバであることを特徴とする請
    求項10記載の光学成分。
  16. 【請求項16】 前記クラッド光ファイバが光増幅器内に埋め込まれている
    ことを特徴とする請求項15記載の光学成分。
JP2001504859A 1999-06-18 2000-05-24 亜テルル酸塩ガラスおよび光学成分 Withdrawn JP2003502268A (ja)

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